CN105099172B - 一种新型的脉冲频率调制的开关电源 - Google Patents

Abstract

一种新型的脉冲频率调制的开关电源，具体涉及一种开关电源电路。包括：一第一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；一设置有储能元件的工作电路，在第一开关器件组的作用下于充电模式和放电模式之间切换；一控制电路，用以根据一第一参考电压、一电压反馈信号、一电流检测信号和一时钟信号生成脉冲调制信号；控制电路包括，一误差放大器，用于对第一参考电压与电压反馈信号进行比较，得到一误差放大信号；一时钟信号产生器，接受误差放大信号的补偿调整时钟信号。本发明的电路结构，新增加了时钟信号调整通路，通过误差放大信号的输出直接控制时钟信号的频率，使得频率均匀分布，减小输出电压的纹波。

Description

一种新型的脉冲频率调制的开关电源

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种开关电源电路。

背景技术

开关电源转换器中，为了将输出电压稳定在一设定值，不随外界环境的改变而发生改变，PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制模式)和PFM(Pulse FrequencyModulation，脉冲频率调制模式)是两种主要的控制方式，PWM模式在中等和重负载调节下可实现良好的效率而得到广泛的使用，然而在轻负载条件下效率则显著下降，现有技术中，为了提高轻负载或待机条件下电路效率，设置了一种低功耗模式，也称：跳周期控制模式(Skip Cycle Mode)，当电路处于轻载或待机条件时，控制PWM控制器间歇式地发出脉冲信号，以实现恒定频率下通过减小开关次数，增大占空比来提高轻载和待机的效率，跳周期控制模式的脉冲调制信号PFM1的波形图如图1所示，然而这种方法会造成输出纹波较高，控制方法并不理想。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种新型的脉冲频率调制的开关电源，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种新型的脉冲频率调制的开关电源，其中，包括：

一第一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；

一设置有储能元件的工作电路，在所述第一开关器件组的作用下于充电模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一第一参考电压、一电压反馈信号、一电流检测信号和一时钟信号生成脉冲调制信号；

所述控制电路包括，

一误差放大器，用于对所述第一参考电压与所述电压反馈信号进行比较，得到一误差放大信号；

一时钟信号产生器；产生所述时钟信号，并接受所述误差放大信号的补偿调整所述时钟信号。

优选地，所述控制电路还包括，

一第一比较器，用于对所述误差放大信号与所述电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一PWM控制器，依据所述比较信号和所述时钟信号产生所述脉冲调制信号。

优选地，所述时钟信号产生器包括，

一振荡器充放电回路，于一控制信号的作用下可切换地于振荡器充电模式和振荡器放电模式之间切换；

一调节单元，接受所述误差放大信号的控制补偿振荡器充电模式的充电电流。

优选地，所述调节单元包括，

一模数转换器，用于对所述误差放大信号进行模数转换，获得数字信号；

复数个并联的调节支路，每一调节支路上串联一电流源，每一所述电流源串联一开关，所述开关的控制端分别连接所述模数转换器的输出端，在所述数字信号的作用下复数个所述调节支路组合导通或关断。

优选地，所述振荡器充放电回路包括，

一第一开关支路，在所述控制信号作用下可切换地串接于一第一电流源与一第二交汇结点之间；

一第二开关支路，在所述控制信号作用下可切换地串接于一第二电流源与一接地端之间；

一振荡器充放电支路，并联于所述第二开关支路的两端，一储能电容串联于所述振荡器充放电支路上。

优选地，所述时钟信号产生器还包括，

一第二比较器，用于对所述储能电容两端的电压与一第二参考电压进行比较，产生变换的高电平信号和低电平信号作为所述时钟信号。

优选地，所述第一开关支路和所述第二开关支路的控制端连接所述时钟信号，以所述时钟信号作为所述控制信号。

优选地，所述第一开关支路或所述第二开关支路的控制端与所述时钟信号之间连接一逻辑门电路，以提供互补的控制信号给所述第一开关支路和所述第二开关支路。

优选地，所述工作电路包括：

一充电控制支路，连接于一输入电压端与一第一交汇结点之间；

一充放电支路，连接于所述第一交汇结点与一输出电压端之间；

一放电控制支路，连接于所述第一交汇结点与一接地端之间，所述储能元件串联于所述充放电支路上；

所述工作电路于充电模式时，所述第一开关器件组控制所述充电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述放电控制支路断开，使所述输入电压端输入的电流对所述储能元件充电；

所述工作电路于放电模式时，所述第一开关器件组控制所述放电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述充电控制支路断开，使所述储能元件对所述输出电压端放电。

优选地，所述控制电路还包括，

一反馈网络，连接于所述输出电压端与所述接地端之间，用以产生所述电压反馈信号；

一电流检测电路，可控制的并联于所述输入电压端与所述第一交汇结点之间，用以根据所述脉冲调制信号产生所述电流检测信号。

有益效果：由于采用以上技术方案，本发明的电路结构，新增加了时钟信号调整通路，通过误差放大信号的输出直接控制时钟信号的频率，使得频率均匀分布，减小输出电压的纹波。

附图说明

图1为现有技术的脉冲调制信号PFM1的波形图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明的时钟信号产生器的电路示意图；

图4为本发明的脉冲调制信号PFM2的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参照图2，一种新型的脉冲频率调制的开关电源，其中，包括：

一输入端VDD；

一输出端Vout；

一接地端GND；

一第一交汇结点Lx；

一设置有储能元件的工作电路，可切换的连接于输入端VDD、输出端Vout、第一交汇结点Lx及接地端GND之间；

一第一开关器件组，设置于输入端VDD、输出端Vout、第一交汇结点Lx及接地端GND之间的电路上，于一脉冲调制信号作用下控制工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换；

一控制电路，用以根据一第一参考电压Vref1与一电压反馈信号Vfb及一电流检测信号和一时钟信号生成脉冲调制信号；

控制电路包括

一误差放大器1，用于对第一参考电压Vref1与电压反馈信号Vfb进行比较，得到一误差放大信号EAout；

一时钟信号产生器2，产生时钟信号，接收误差放大信号EAout的补偿调整时钟信号。

作为本发明的一种优选的实施例，图3为典型的时钟信号产生器2的实施电路示意图。时钟信号产生器2包括，

一振荡器充放电回路，于一控制信号的作用下可切换地于振荡器充电模式和振荡器放电模式之间切换；

一调节单元，接受误差放大信号的控制补偿振荡器充电模式的充电电流，提供振荡器充电回路不同的充电时间。

作为本发明的一种优选的实施例，调节单元包括，

一模数转换器21，用于对误差放大信号EAout进行模数转换，获得数字信号；

复数个并联的调节支路，每一调节支路上串联一电流源，每一电流源串联一开关，开关的控制端分别连接模数转换器的输出端，在数字信号的作用下复数个调节支路组合导通或关断,以产生不同大小的电流。

作为本发明的一种优选的实施例，振荡器充放电回路包括

一第一开关支路，在控制信号作用下可切换地串接于一第一电流源23与一第二交汇结点之间；

一第二开关支路，在控制信号作用下可切换地串接于一第二电流源24与一接地端GND之间；

一振荡器充放电支路，并联于第二开关支路的两端，一储能电容C串联于振荡器充放电支路上。

在恒流源充电下，储能电容两端的电压随时间呈线性增长，充电电流与电容值的比值反映充电电流对电容器充电的快慢，复数个调节支路组合导通或关断，以改变充电电流大小，实现充电快慢的调整，第二开关支路上的第二电流源24通过改变放电电流大小，实现放电快慢的调整，最终实现调整时钟信号的频率，获得需要的脉冲调制信号，如图4所示的脉冲调制信号PFM2的波形图相比图1所示的脉冲调整信号频率均匀分布，实现减小输出电压的纹波的目的。

作为本发明的一种优选的实施例，时钟信号产生器2还包括一第二比较器22，用于对储能电容C两端的电压与一第二参考电压Vref2进行比较，产生变换的高电平信号和低电平信号作时钟信号。

振荡器充放电回路于充电模式时，第一开关支路、振荡器充放电支路及一个或多个调节支路导通，第二开关支路关断，导通支路上的电流源产生的电流向储能电容充电；

振荡器充放电回路于放电模式时，第二开关支路、振荡器充放电支路导通，第一开关支路、振荡器调节支路关断，储能电容向第二开关支路放电；

作为本发明的一种优选的实施例，

第一开关支路和第二开关支路的控制端连接时钟信号，以时钟信号作为控制信号。或者第一开关支路或第二开关支路的控制端与时钟信号之间连接一逻辑门电路，以提供互补的控制信号给第一开关支路和第二开关支路。

一种具体实施例，第一开关支路串联开关器件S1，第二开关支路串联开关器件S2，开关器件S1可以为P沟道MOS管，开关器件S2可以为N沟道MOS管，以时钟信号作为控制信号，时钟信号连接第一开关支路和第二开关支路的控制端。开关器件S1和开关器件S2可以同为P沟道MOS管，此时，第一开关支路或第二开关支路的控制端与时钟信号之间连接一逻辑门电路，以提供互补的控制信号给第一开关支路和第二开关支路。控制开关器件S1和开关器件S2交替通断，实现振荡器充放电回路于充电模式和放电模式之间交替切换。

如图3所示复数个调节支路可以包括电流源25与开关器件S3串联的第一调节支路、电流源26与开关器件S4串联的第二调节支路、电流源27与开关器件S5串联的第三调节支路，在数字信号的控制下实现组合导通或关断，如选择其中任意一个导通或任意两个导通或全部导通，以产生不同大小的充电电流。根据系统调整的目的可以选择更多的调节支路。

本发明的开关器件S3、开关器件S4和开关器件S5可以采用N沟道MOSFET和/或P沟道MOSFET实现。

作为本发明的一种优选的实施例，工作电路包括：

充电控制支路，连接于输入端VDD与第一交汇结点Lx之间；

充放电支路，连接于第一交汇结点Lx与输出端Vout之间；

放电控制支路，连接于第一交汇结点Lx与接地端GND之间；

储能元件串联于充放电支路上；

工作电路于充电模式时，第一开关器件组控制充电控制支路及充放电支路导通，并控制放电控制支路断开，使输入端VDD输入的电流对储能元件充电；

工作电路于放电模式时，第一开关器件组控制放电控制支路及充放电支路导通，并控制充电控制支路断开，使储能元件对输出端Vout放电。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括，

一第一比较器3，用于对误差放大信号EAout与电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一PWM控制器5，PWM控制器5连接时钟信号，依据比较信号和时钟信号产生脉冲调制信号。

作为本发明的一种优选的实施例，

控制电路还包括，

一反馈网络，连接于输出端Vout与接地端GND之间，用以产生电压反馈信号Vfb；

一电流检测电路，可控制的并联于输入端VDD与第一交汇结点Lx之间，用以根据脉冲调制信号产生电流检测信号。

作为本发明的一种优选的实施例，反馈网络主要由一电阻分压电路形成，电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于输出端Vout与接地端GND之间的分压电阻，分压电阻间相连接的点形成分压节点；

反馈电压信号自预定的分压节点处引出。

一种具体实施例，反馈网络包括相互串联的第一电阻R1和第二电阻R2，反馈电压信号自第一电阻R1和第二电阻R2相连接的节点处引出。

作为本发明的一种优选的实施例，电流检测电路包括：

一检测电阻Rb，串联于电流检测电路上；

一检测补偿单元4，连接检测电阻Rb的两端，用以检测流过检测电阻的电流；

一受脉冲调制信号控制通断的检测控制开关Mp2，连接于电流检测电路上。

检测补偿单元4还与时钟信号连接，用于对检测电流进行补偿，目的在于稳定电流检测环路。

作为本发明的一种优选的实施例，本发明的储能元件采用电感元件L，输出端Vout与接地端GND之间还连接一滤波电容C1。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括一过零检测电路6，过零检测电路6的输出端与PWM控制器5连接。在开关电源电路中，当负载较大时，电感电流在整个周期内不会回到零，使得电路通常处于连续导通模式，但当负载电流持续下降且低到某一临界值时，第一开关管Mp和第二开关管Mn在一个周期内可能同时关闭，此时电感电流的工作模式称为不连续导通模式，在此期间电感上的电流为零，在不连续电感电流模式下时，由于变换器内部的逻辑延迟、线延迟和寄生等因素的影响，致使负载电流继续下降到临界值时，第二开关管Mn并没有关断或没有完全关断，此时会导致电流倒灌，使得输出电压发送极大的波动，影响系统的性能指标，通过设置过零检测电路6用于防止电流倒灌，避免上述问题，可以采用现有技术的过零检测电路来实现，在此不作赘述。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种新型的脉冲频率调制的开关电源，其特征在于，包括：

一第一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；

一设置有储能元件的工作电路，在所述第一开关器件组的作用下于充电模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一第一参考电压、一电压反馈信号、一电流检测信号和一时钟信号生成脉冲调制信号；

所述控制电路包括，

一误差放大器，用于对所述第一参考电压与所述电压反馈信号进行比较，得到一误差放大信号；

一时钟信号产生器；产生所述时钟信号，并接受所述误差放大信号的补偿调整所述时钟信号；

所述时钟信号产生器包括，

一振荡器充放电回路，于一控制信号的作用下可切换地于振荡器充电模式和振荡器放电模式之间切换；

一调节单元，接受所述误差放大信号的控制补偿振荡器充电模式的充电电流；

所述调节单元包括，

一模数转换器，用于对所述误差放大信号进行模数转换，获得数字信号；

复数个并联的调节支路，每一调节支路上串联一电流源，每一所述电流源串联一开关，所述开关的控制端分别连接所述模数转换器的输出端，在所述数字信号的作用下复数个所述调节支路组合导通或关断；

所述振荡器充放电回路包括，

一第一开关支路，在所述控制信号作用下可切换地串接于一第一电流源与一第二交汇结点之间；

一第二开关支路，在所述控制信号作用下可切换地串接于一第二电流源与一接地端之间；

一振荡器充放电支路，并联于所述第二开关支路的两端，一储能电容串联于所述振荡器充放电支路上；

所述振荡器充放电回路于充电模式时，所述第一开关支路、所述振荡器充放电支路及一个或多个所述调节支路导通，所述第二开关支路关断，所述调节支路上的电流源产生的电流向所述储能电容充电；

所述振荡器充放电回路于放电模式时，所述第二开关支路、所述振荡器充放电支路导通，所述第一开关支路、所述调节支路关断，所述储能电容向所述第二开关支路放电。

2.根据权利要求1所述的一种新型的脉冲频率调制的开关电源，其特征在于，所述控制电路还包括，

一第一比较器，用于对所述误差放大信号与所述电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一PWM控制器，依据所述比较信号和所述时钟信号产生所述脉冲调制信号。

3.根据权利要求2所述的一种新型的脉冲频率调制的开关电源，其特征在于，所述时钟信号产生器还包括，

一第二比较器，用于对所述储能电容两端的电压与一第二参考电压进行比较，产生变换的高电平信号和低电平信号作为所述时钟信号。

4.根据权利要求3所述的一种新型的脉冲频率调制的开关电源，其特征在于，所述第一开关支路和所述第二开关支路的控制端连接所述时钟信号，以所述时钟信号作为所述控制信号。

5.根据权利要求3所述的一种新型的脉冲频率调制的开关电源，其特征在于，所述第一开关支路或所述第二开关支路的控制端与所述时钟信号之间连接一逻辑门电路，以提供互补的控制信号给所述第一开关支路和所述第二开关支路。

6.根据权利要求1所述的一种新型的脉冲频率调制的开关电源，其特征在于，所述工作电路包括：

一充电控制支路，连接于一输入电压端与一第一交汇结点之间；

一充放电支路，连接于所述第一交汇结点与一输出电压端之间；

一放电控制支路，连接于所述第一交汇结点与一接地端之间，所述储能元件串联于所述充放电支路上；

所述工作电路于充电模式时，所述第一开关器件组控制所述充电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述放电控制支路断开，使所述输入电压端输入的电流对所述储能元件充电；

所述工作电路于放电模式时，所述第一开关器件组控制所述放电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述充电控制支路断开，使所述储能元件对所述输出电压端放电。

7.根据权利要求6所述的一种新型的脉冲频率调制的开关电源，其特征在于，所述控制电路还包括，

一反馈网络，连接于所述输出电压端与所述接地端之间，用以产生所述电压反馈信号；

一电流检测电路，可控制的并联于所述输入电压端与所述第一交汇结点之间，用以根据所述脉冲调制信号产生所述电流检测信号。